天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。
近红外漫反射光谱法 无创血糖测量 蒙特卡洛模拟 皮肤血流灌注 三层皮肤模型 真皮层厚度 差分测量 Near-infrared diffuse reflectance spectroscopy Non-invasive blood glucose measurement Monte Carlo simulation Cutaneous blood perfusion Three-layered skin model Dermal thickness Differential measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2699
1 上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
3 中国科学院 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
为了提高泊松表面重建算法效率并改善重建结果细节表现，采用一种基于混合树的点云搜索方法，平衡了八叉树和二叉树技术关于时间复杂度和空间复杂度的冲突; 并在点云搜索阶段通过引入多个能量项对点云进行密度评估与滤波等，针对点云稀疏部分进行自适应的点云稠密化以保证重建模型的细节与准确度。结果表明，混合树重建算法与泊松表面重建算法及屏蔽泊松算法相比，速度分别平均提升了33%和15%，且能更好地保持重建模型的细节，误差最小。该研究为点云的表面重建提供了参考。
图像处理 泊松表面重建 八叉树 法向估计 能量函数 image processing Poisson reconstruction octree normal estimation energy function
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3 Shanghai Research Center for Quantum Sciences, Shanghai 201315, China
4 Collaborative Innovation Center of Light Manipulation and Applications, Shandong Normal University, Jinan 250358, China
Optical frequency conversion based on the second-order nonlinearity () only occurs in anisotropic media (or at interfaces) and thus is intrinsically polarization-dependent. But for practical applications, polarization-insensitive or independent operation is highly sought after. Here, by leveraging polarization coupling and second-order nonlinearity, we experimentally demonstrate a paradigm of TE/TM polarization-independent frequency upconversion, i.e., sum frequency generation, in the periodically poled lithium niobate-on-insulator ridge waveguide. The cascading of quasi-phase-matched polarization coupling and nonlinear frequency conversion is exploited. With a proper transverse electric field, TE and TM mode fundamental waves can be frequency-upconverted with an equal efficiency in the frequency converter. The proposed method may find ready application in all-optical wavelength conversion and upconversion detection technologies.
frequency upconversion polarization coupling lithium niobate on insulator ridge waveguide cascading process Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 121901
1 上海工程技术大学 电子电气工程学院, 上海 201620
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
为了提高非接触式测量的数据处理精度, 采用一种分阶段配准的方法, 先将缺损叶片分为4个部分, 采用自配准算法对每部分进行配准; 再对相邻两部分采用改进的完全配准算法进行整体配准。结果表明, 自配准算法与传统算法相比, 在配准误差均小于0.005 mm的前提下, 配准时间可以缩短到1 s以内; 完全配准与传统算法相比, 速度较快, 并通过0级的标准量块测量实验得出系统的测量误差小于0.010 mm, 满足叶片测量的精度要求。该分阶段配准方法对测量航空叶片具有一定的应用价值。
激光技术 航空发动机叶片 分阶段配准 降维配准 laser technique aero-engine blades staged registration dimensionality reduction registration
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在活体成分无创测量中, 人体组织的漫射光谱之间存在千差万别, 即使同一组织的光谱也时刻发生着变化, 这是影响活体组织成分测量精度的重要原因。 通过漫射光谱实时监测组织的光学特性非常重要。 由于漫射光的吸光度光谱沿光源-探测器距离不再呈现线性变化, 不同距离下的测量结果不易相互借鉴, 因此不宜采用单一距离的漫反射光测量方式。 采用双光源-探测器距离的测量方式, 通过差分测量获得了组织有效衰减系数, 其与测量距离无关, 是反映组织吸收、 散射的综合光学参数。 实验系统采用中心光纤入射, 距中心0.6和2.0 mm的两个环状分布的光纤束接收漫反射光, 并据此推测出被测组织的有效衰减系数。 通过实时监测组织的有效衰减系数, 可以监测组织的状态与成分变化信息。 采用Intralipid脂肪乳作为组织仿体, 考察了其中的葡萄糖浓度、 血红蛋白浓度、 颗粒密度、 温度四个因素变化时在1 000~1 300 nm波段的有效衰减系数光谱, 比较了它们的光谱特征。 结果表明, 有效衰减系数的光谱形状主要由介质的吸收变化决定。 其中血红蛋白的有效衰减系数光谱显示出其在1 000~1 200 nm波段吸收显著, 1 200~1 300 nm吸收减弱, 这与血红蛋白的吸收特征一致; 温度的光谱显示出与温度对水吸收光谱影响的光谱形状一致; 葡萄糖与颗粒密度引起的有效衰减系数光谱相似, 原因在1 000~1 300 nm波段葡萄糖吸收较弱, 其主要影响介质散射特性。 最后测量了不同人体的手指、 手掌、 手背、 手臂外侧、 手臂内侧的有效衰减系数光谱, 比较了部位差异和个体差异。 从人体光谱差异上很明显地看到了血红蛋白、 散射特性不同引起的光谱差异。 综上, 提出的有效衰减系数光谱测量方法特别适用于活体组织的成分测量, 为实时监测组织的散射、 吸收变化提供了一条新途径。
近红外光谱 有效衰减系数 活体组织 无创成分测量 血红蛋白 血糖 温度 Near-infrared spectroscopy Effective attenuation coefficient In vivo tissue Noninvasive composition measurement Hemoglobin Blood glucose Temperature 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2746
1 中国农业大学农学院, 北京 100094
2 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081
作物残茬还田对农业绿色发展和地力提升意义重大。 我国作物残茬产量大, 种类多, 研究典型作物残茬中磷的赋存形态是预测其还田后作物有效性的前提。 目前, 液相磷-31核磁共振(31P-NMR)是可在分子水平上表征磷素形态的主流分析技术。 而利用该技术表征作物残茬磷素形态的已有研究有限, 且主要采用不同磷化合物的化学位移进行图谱解析。 由于某些有机磷的峰位置相邻, 其化学位移受样品pH等化学条件影响较大, 导致单纯依靠文献报道进行图谱解析存在较大不确定性, 并且识别出的有机磷种类偏少。 该研究进行加标实验, 选取典型作物残茬(玉米、 小麦、 水稻、 大豆、 花生、 棉花), 利用液相31P-NMR技术表征了不同部位(茎叶、 谷壳和种子)磷的分子形态及其含量。 研究发现, 所有供试作物残茬中总磷含量均为种子>谷壳>茎叶。 NaOH-EDTA前处理对供试作物残茬总磷有较高的提取率(73%~139%), 平均105%。 根据加标试验的31P-NMR图谱, 供试样品中检测出的无机磷形态包括正磷酸盐、 焦磷酸盐、 三聚磷酸盐, 有机磷包括植酸、 α/β-甘油磷酸盐、 单核苷酸, 首次在作物残茬的正磷酸二酯组分中检测到脱氧核糖核酸; 供试茎叶和谷壳中磷均以正磷酸盐为主, 大约占NaOH-EDTA可提取磷的49.3%~71.6%, 种子以植酸为主, 占比达48.5%~82.9%; 将正磷酸单酯和正磷酸二酯含量针对正磷酸二酯的降解产物进行矫正, 发现作物茎叶中正磷酸二酯(17.1%~33.5%)高于正磷酸单酯(9%~13.5%), 谷壳中正磷酸单酯和正磷酸二酯的百分含量分别为8.8%~23.2%及8.8%~24.6%, 种子中则以正磷酸单酯为主(57.6%~82.9%)。 研究结果表明, 供试作物残茬尤其茎叶秸秆还田后可能释放正磷酸盐和正磷酸二酯, 作为有效磷源供给后茬作物吸收。 该研究为作物残茬还田及农田磷肥管理提供重要科学依据。
磷 分子形态 液相磷-31核磁共振 作物残茬 Phosphorus Molecular speciation Solution P-31 NMR Crop residues 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2304
国网天津电力公司电力经济技术研究院，天津 300072
能源互联网的一个本质特征是通过先进的通信网络实现能源供给与消费间的双向互动。以光纤通信为基础的高可靠通信网络优化配置以满足多业务的服务质量(QoS)需求成为亟需解决的关键问题。从电力光纤传输网络的可靠性入手，并考虑电力通信业务的多 QoS传输需求，设计一种基于复合量度的电路配置优化方法。有别于传统最短路配置算法，新方法在一次配置过程中同时规划 m条可行配置方案，并且通过分析路径集的带宽、时延、丢包率、衰耗和成本等不同量度和光路全程可靠性，最终获得满足可靠性和传输 QoS需求的光路配置方案，并给出优先选择序列。多电路优化配置将有效提升电力通信的可靠性，也可为未来多路流量分摊提供电路配置保证。通过某城区 35~500 kV电力通信站网实例仿真计算，新配置方法能够一次获取 4条同时满足业务多 QoS需求的传输电路，实现主备电路保护。对电力光纤传输网络的规划和运行优化，提高电力通信网的资源调配能力和可靠性提供参考。
电力通信 复合量度 传输可靠性 power communication compound measurement transmission reliability 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 732
上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620
针对传统算法对多角度人脸表情识别效果不佳、偏转角下生成的人脸正面化图像质量低等问题，提出了一种结合双通道WGAN-GP的多角度人脸表情识别算法。传统模型仅利用侧脸特征对多角度人脸进行表情识别，特征差异小导致识别精度低。因此，引入生成对抗网络对人脸进行转正，消除姿态角的影响。为了使模型稳定训练的同时提升人脸生成质量，以WGAN-GP作为基础网络，并将其改进为双通道结构，融合五官特征及人脸全局特征来进行正面化生成。最后，构建轻量级网络MobileNetV3对生成出的正面人脸表情图像进行识别，保证分类精度并且大幅减小参数运算量。实验结果表明，所提算法在任意角度下，都能较好地复原出正面化人脸表情图像，提高了多角度人脸表情的识别率。
图像处理 生成对抗网络 卷积神经网络 多角度人脸表情 人脸正面化 双通道 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1810013
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
3 上海工程技术大学电子电气学院，上海 201620
4 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
5 中国科学院上海天文台，上海 200030
6 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
从信标光链路中高效地获取运动平台的姿态信息是运动平台量子光通信成功的关键之一。针对运动平台量子光通信的实际需求，提出一种探测载体平台旋转姿态角的信标姿态解耦方法，有望显著提高量子光通信的动态链接效率。经0°、45°、－45°偏振片起偏调整的RGB三色合束信标光，携带着载体平台的旋转姿态角信息，经自由空间传输后由地面接收系统解耦。接收端利用光电探测器获得信标光的三色光强值，根据三色光强值的差动、比值构造特征参数β，建立信标光旋转角θ与特征参数β间的关联曲线，利用该曲线反演载体平台的空间旋转角信息。分析θ在0°～90°的变化趋势及β的数值结果，并对不同距离下的测量结果进行误差分布分析。实验表明，所反演的信标空间姿态角度测量精度可以达到±0.05°。室内实验结果的3σ值小于0.5°；室外实验结果的3σ值小于1°。综合整体性能分析，所提方法具有测量运动平台空间旋转姿态角的能力，可用于在浮空平台或类似领域中进行姿态角度测量。
测量 量子光通信 偏振激光 空间旋转角 三维姿态 光电探测器 中国激光
2022, 49(18): 1804001
1 上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
针对传统点云配准方法效率低、误差大的问题，提出了一种沿竖直方向和水平方向分阶段变换的点云粗配准方法。首先对点云P、Q进行去中心化处理，使得两点云中心点重合；通过遍历距质心的距离寻找特征点，并将特征点旋转至y轴上，完成竖直方向上的对齐；然后在xOz平面内，再次通过遍历距质心的距离寻找特征点，将其绕y轴旋转，在水平方向完成对齐；最后配合迭代最近点精配准算法完成配准。所提方法不存在迭代计算，具有线性时间复杂度和常数空间复杂度。对所提方法与三种经典方法进行对比实验，采用了点数量不同以及尺度不同的三组点云。实验结果表明，对于不同的点云，所提方法具有较强的鲁棒性，配准时间在4 s左右，变化幅度较小，相对于三种传统方法，耗时减少了50%以上；同时所提方法的均方根误差控制在10-8 mm左右，保持了较好的精度。
图像处理 点云配准 分阶段 迭代最近点 三维重构 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1610005
